單立柱堆垛機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

龔秋生，劉文波

(沈陽理工大學(xué)，遼寧 沈陽 110168)

自動化立體倉庫，是一個典型的高技術(shù)密集型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，已經(jīng)逐漸取代傳統(tǒng)的普通式倉儲，成為物流倉儲的主流產(chǎn)品，而堆垛機(jī)是自動化立體倉庫中最重要的搬運(yùn)設(shè)備，本文主要探討單立柱項(xiàng)道堆垛機(jī)的結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 堆垛機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

堆垛機(jī)在自動化立體倉庫中承擔(dān)著入庫、出庫和盤庫等重要的搬運(yùn)任務(wù)，其機(jī)械結(jié)構(gòu)主要有：行走機(jī)構(gòu)、立柱、提升機(jī)構(gòu)、載貨臺、伸縮貨叉和電氣控制設(shè)備等組成。其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 堆垛機(jī)結(jié)構(gòu)圖

1.1 行走機(jī)構(gòu)

行走機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)、減速器、行走輪、導(dǎo)向輪和上、下橫梁等組成。其工作原理為：行走輪在伺服電機(jī)和減速器驅(qū)動下，在上、下橫梁兩側(cè)的導(dǎo)向輪的作用下，沿著地軌實(shí)現(xiàn)堆垛機(jī)的水平行走。其中，上橫梁的導(dǎo)向輪不僅起到水平導(dǎo)向作用，還起到整體框架的側(cè)面支撐作用，防止堆垛機(jī)傾倒。

1.2 立柱

立柱是堆垛機(jī)的主要支撐部分，連接著上橫梁和行走機(jī)構(gòu)，同時立柱上附加安裝有導(dǎo)軌，其對載貨臺的升降起到準(zhǔn)確的引導(dǎo)作用。

1.3 提升機(jī)構(gòu)

該機(jī)構(gòu)由驅(qū)動電機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)、鋼絲繩和滑輪組等組成，能很好提升載貨臺及貨物，并能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的垂直定位。

1.4 載貨臺

載貨臺是堆垛機(jī)支撐貨叉和貨物的部分，該部分在鋼絲繩的作用下沿著立柱導(dǎo)軌垂直運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)立體庫層貨格的定位。

1.5 伸縮貨叉

伸縮貨叉是堆垛機(jī)自動存取貨物的重要部分，該部分主要由貨叉驅(qū)動電機(jī)、鏈輪、驅(qū)動鏈條及貨叉本體組成。其主要的工作原理為：由貨叉電機(jī)驅(qū)動鏈輪，鏈條為動力輸入軸提供動力，經(jīng)過齒輪和齒條的嚙合實(shí)現(xiàn)上叉、中叉和下叉的三級差動傳動，使貨叉自動伸縮，實(shí)現(xiàn)貨物的存取。貨叉本體的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 貨叉結(jié)構(gòu)圖

1.6 安全性措施

堆垛機(jī)是一種典型的自動化產(chǎn)品，在上位機(jī)的控制下對立體庫中的貨物實(shí)現(xiàn)自動存取，其安全性就顯得尤為重要。具體表現(xiàn)如下：

（1）在提升機(jī)構(gòu)上設(shè)計(jì)了機(jī)械防墜落裝置：在提升機(jī)構(gòu)鋼絲繩發(fā)生斷裂時該機(jī)械結(jié)構(gòu)會把載貨臺鎖死在立柱上，實(shí)現(xiàn)機(jī)械自鎖，防止載貨臺及貨叉墜落，造成不必要的人員和財(cái)力損失。

（2）在導(dǎo)軌的兩端都設(shè)置有減速點(diǎn)和硬件限位，并且在導(dǎo)軌終端安裝有機(jī)械擋塊，防止堆垛機(jī)在水平行走過程中脫軌。另外，在立柱的上端和貨叉的兩端也分別安裝有限位開關(guān)，同時運(yùn)用軟限位，雙重保護(hù)確保堆垛機(jī)在允許的范圍內(nèi)運(yùn)動。

（3）在貨叉上設(shè)置左右驅(qū)動開關(guān)來控制貨叉的伸縮方向，同時還設(shè)有上電保護(hù)，在確認(rèn)貨叉已經(jīng)收回的情況下，堆垛機(jī)才會運(yùn)行，避免貨叉沒有收回而跟貨架產(chǎn)生碰撞。

2 堆垛機(jī)的控制系統(tǒng)

2.1 堆垛機(jī)的控制功能和控制要求

為了完成立體庫的入庫、出口和盤庫等功用，堆垛機(jī)必須具有手動和自動控制兩種控制方式，必須具備水平行走、垂直提升和貨叉的左右伸縮等功能，同時要求其定位精度為：±3mm，水平行走速度為：10 m/min，垂直提升速度為：10 m/min，貨叉伸縮速度為：21 m/min。

2.2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)堆垛機(jī)的控制功能和控制要求，采用圖3 的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

該控制系統(tǒng)以S7-200 PLC 為控制核心，通過無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其跟上位機(jī)和觸摸屏的數(shù)據(jù)交流，根據(jù)數(shù)據(jù)指令驅(qū)動相應(yīng)機(jī)構(gòu)的控制模塊，實(shí)現(xiàn)該機(jī)構(gòu)的動作。在水平行走方向采用伺服控制器+伺服電機(jī)控制方式，在垂直提升和貨叉伸縮方面采用變頻器+異步電動機(jī)控制方式。

2.3 PLC 選型及I/O 口擴(kuò)展

由于PLC 具有抗干擾能力強(qiáng)，可靠性極高、控制功能強(qiáng)和編程、使用、維護(hù)方便等特點(diǎn)，選用PLC 作為控制核心，并且S7-200 系列PLC 價(jià)格低廉，結(jié)構(gòu)小巧可靠性高，運(yùn)行速度快，編程指令極豐富，具有強(qiáng)大的多種集成功能和實(shí)時性，性價(jià)比高并能滿足我們控制的要求，所以選擇其作為控制核心，并選擇CPU226 作為主機(jī)控制單元。由于CPU226 本身具有24 輸入/16 輸出共40個數(shù)字量I/O 點(diǎn)，并不能滿足控制要求，所以運(yùn)用S7-200 系列PLC 的數(shù)字量擴(kuò)展功能，分別增加1個EM221 數(shù)字量輸入擴(kuò)展模板和1個EM223 數(shù)字量混合輸入輸出擴(kuò)展模板。

2.4 位置控制

堆垛機(jī)在空間有3個自由度，即水平行走、垂直提升和貨叉的伸縮，以實(shí)現(xiàn)立體庫貨物的存、取和搬運(yùn)的功能。本系統(tǒng)選用了三菱伺服控制系統(tǒng)，驅(qū)動水平行走機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)水平運(yùn)動的速度控制，通過安裝在堆垛機(jī)底部的U 型認(rèn)址傳感器檢測貨架上安裝的認(rèn)址片實(shí)現(xiàn)堆垛機(jī)最終的水平位移控制，配以電機(jī)本身的電磁抱閘實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的水平定位。選用MM440 變頻器+三相異步電動機(jī)控制方式，運(yùn)用變頻調(diào)速方式控制三相異步電動機(jī)的速度，通過安裝在垂直提升機(jī)構(gòu)上的U 型認(rèn)址傳感器檢測垂直方向的認(rèn)址片實(shí)現(xiàn)層的尋址，附加三相異步電動機(jī)本身攜帶的電磁抱閘功能，實(shí)現(xiàn)堆垛機(jī)垂直方向準(zhǔn)確定位。貨叉的伸縮控制跟垂直提升原理很像，只是運(yùn)用接近開關(guān)來確定貨叉是否到達(dá)指定位置。

3 結(jié)束語

本文對單立柱堆垛機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)，該堆垛機(jī)經(jīng)安裝調(diào)試后運(yùn)行平穩(wěn)、可靠，滿足了學(xué)校物流實(shí)驗(yàn)中心的要求，并且能為各高校和中小型企業(yè)建設(shè)自動化倉庫提供技術(shù)參考。

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